(57)【要約】 【構成】  固体電解質ガスセンサ２のカバーにゼオライトフィルタ１４を設け、フィルタ１４の内側の開口２２と外側の開口２０の面積の面積比を０.９〜０.３とする。【効果】  応答特性を損ねず、高湿雰囲気を経験した後の立ち上がり時間を短縮できる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質からなるセンサ本体をカバーで囲み、カバーに外側の開口と内側の開口とをフィルタを挟むように設けて、内側の開口の奧側に前記センサ本体を配置したガスセンサにおいて、
内側の開口面積と外側の開口面積の比を０.９〜０.３としたことを特徴とする、固体電解質ガスセンサ。
【請求項２】
内側の開口面積と外側の開口面積の比を０.６〜０.３５としたことを特徴とする、固体電解質ガスセンサ。
【請求項３】
前記センサ本体が、アルカリイオン導電体に、基準極と炭酸塩を含有する検知極とを接続してヒータにより加熱するようにしたものであり、
前記外側開口の直径が３〜５mmで、フィルタの厚さが４〜７mmであることを特徴とする、請求項２の固体電解質ガスセンサ。
【請求項４】
固体電解質からなるセンサ本体をカバーで囲み、カバーに外側の開口と内側の開口とをフィルタを挟むように設けて、内側の開口の奧側に前記センサ本体を配置したガスセンサを用いてガスを検出する方法において、
内側の開口面積と外側の開口面積の比を０.９〜０.３としたことを特徴とするガス検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は固体電解質ガスセンサに関し、特にＣＯ２やＮＯｘなどの検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１はフィルタ付きの金属酸化物半導体ガスセンサでの、フィルタの外側でのカバーの開口と内側でのカバーの開口について検討している。そして内側の開口を広くし、外側の開口を狭くすることにより、ガスセンサの耐湿性が向上すると共に、雑ガスによる誤報が減少するとしている。しかしながら発明者らは、固体電解質タイプのガスセンサでは、外側と内側の開口面積の比は逆の結果を示すことを見出した。
【特許文献１】特開平２００１−１２４７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この発明の課題は、ガスに対する応答特性を損ねずに、高湿雰囲気経験後の立ち上がり時間を短縮することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明は、固体電解質からなるセンサ本体をカバーで囲み、カバーに外側の開口と内側の開口とをフィルタを挟むように設けて、内側の開口の奧側に前記センサ本体を配置したガスセンサにおいて、内側の開口面積と外側の開口面積の比を０.９〜０.３としたことを特徴とする、固体電解質ガスセンサにある。
この発明はまた、固体電解質からなるセンサ本体をカバーで囲み、カバーに外側の開口と内側の開口とをフィルタを挟むように設けて、内側の開口の奧側に前記センサ本体を配置したガスセンサを用いてガスを検出する方法において、内側の開口面積と外側の開口面積の比を０.９〜０.３としたことを特徴とするガス検出方法にある。
【０００５】
好ましくは、内側の開口面積と外側の開口面積の比を０.６〜０.３５とする。
特に好ましくは、前記センサ本体が、アルカリイオン導電体に、基準極と炭酸塩を含有する検知極とを接続してヒータにより加熱するようにしたものであり、
内側の開口面積と外側の開口面積の比を０.６〜０.３５とし、
さらに外側開口の直径を３〜５mm、フィルタの厚さを４〜７mmとする。
【発明の効果】
【０００６】
この発明では、ガスに対する応答速度を損ねずに、高湿雰囲気などを経験してフィルタに水蒸気が蓄積された後の立ち上がり時間を短縮できる。即ち発明者の実験では、内側の開口面積と外側の開口面積との比が０.３程度減少させても、応答性能の低下は僅かで、例えばこの比が０.３５の場合、応答性能の低下は無視し得るほどである。一方、この比が０.９以下で高湿雰囲気を経験した後の立ち上がり時間が短くなり、特にこの比が０.６以下では立ち上がり時間は充分短く、しかもこれ以上開口面積の比の値を小さくしても、立ち上がり時間は改善されない。これらのことから内側の開口面積と外側の開口面積との比には最適範囲があり、０.９〜０.３が好ましく、特に０.６〜０.３５が好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
【実施例】
【０００８】
図１〜図６に、ＣＯ２センサを例に実施例を示す。図において２はガスセンサで、４は例えば金属製のベースである。センサ本体６は、例えばヒータ基板８と固体電解質ペレット９とからなり、リード線を用いてピン１０などに宙づりで固定する。固体電解質ペレット９には例えばＮＡＳＩＣＯＮなどのナトリウムイオン導電体を用い、リチウムイオン導電体などの他のアルカリ金属イオン導電体でも良い。また固体電解質ペレット９に代えて、固体電解質の膜を用いても良い。固体電解質ペレット９のヒータ基板８側に、金などの導電性材料からなる基準極を設けて、固体電解質ペレット９のヒータ基板８とは反対側に検出極を設ける。そして検出極には金などの導電性材料と炭酸リチウムなどの混合物を用いる。なお炭酸リチウムに代えて、亜硝酸ナトリウムや硝酸ナトリウムなどを金などの導電性材料と混合して検出極とすると、ＮＯｘセンサとなる。
【０００９】
１２は例えば金属製のカバーで、ゼオライトフィルタ１４を設け、その上下に不織布１５，１６を設け、１８は金網で、２０は外側開口、２２は内側開口である。ゼオライトフィルタ１４には例えばＹ型ゼオライトなどの粉体を用い、メタノールやエタノールなどの有機溶媒を吸着し、ガスセンサ２が影響を受けないようにする。またゼオライトフィルタ１４は、周囲の水蒸気を吸着して、センサ本体６の周囲での相対湿度を一定に近づけ、耐湿性を向上させる。ゼオライトフィルタ１４に代えて例えばシリカゲルフィルタなどを用いることもできるが、活性炭フィルタはＣＯ２を吸着するので好ましくない。不織布１５，１６は本体上のゼオライトがこぼれ出さないようにするためのもので、金網１８は外側開口２０から不織布１５が破れないように保護するためのものである。ガスセンサ２では開口２０，２２以外の個所は密閉され、開口２０，２２とフィルタ１４とが唯一のガス通路である。
【００１０】
ガスセンサ２のサイズを示すと、カバー１２は内径が８mmで、外側開口２０の直径Ｒは例えば４mm、内側開口２２の直径ｒは例えば２.５mmである。外側開口２０の直径Ｒを４mmとすると、内側開口２２の直径ｒの好ましい範囲は３.８〜２.２mmで、特に好ましくは３.１〜２.４mmとする。これらの範囲は、内側開口２２の面積と外側開口２０の面積との比で０.９〜０.３、好ましくは０.６〜０.３５を意味する。ベース４の底面からカバー１２の上面までの距離は例えば約１２mmで、このうちゼオライトフィルタ１４の厚さは例えば約５mmで、好ましくは４〜７mmとする。また内側開口２２からベース４の上面までの奥行きは例えば３〜６mmで、ここでは４.5mmである。ガスセンサ２の１個当たりゼオライトの量は例えば１５０mg、好ましくは１００〜２００mgとする。以下実施例では、外側開口２０の直径Ｒを４mmに固定して示すが、実際に重要なのは内側開口２２の面積と外側開口２０の面積の面積比であり、外側開口２０の直径Ｒを例えば３mm，５mmに変更しても、開口２２，２０の面積比が同じであれば、応答特性や耐湿性も同様である。
【００１１】
金網１８は例えばステンレスの２００メッシュの２重金網であるが、３００メッシュまでであれば通気性への影響は無視でき、１００メッシュなどの金網としても、あるいは金網を設けなくても良い。さらに不織布１５，１６の通気性への影響は僅かである。またセンサ本体の動作温度は例えば４００〜５００℃（ここでは４５０℃）である。さらに外側開口を直径４mmとして、内側開口の直径とフィルタ１４の厚さとを変化させた場合、厚さが４〜７mmの範囲では、フィルタ１４の厚さは応答性能や高湿雰囲気経験後の立ち上がり時間への影響は僅かであった。
【００１２】
図３，図４はガスセンサ２のＣＯ２３５０ppmから２０００ppmへの応答特性を示し、図３は行きの９０％応答時間を示し、横軸は内側開口２２の面積と外側開口２０の面積との比である。この比を０.４まで小さくしても応答時間に影響は生じないが、比の値が０.２５以下となると応答時間が長くなる。図４は図３に対応する実際の応答波形を示し、ＣＯ２濃度を２０００ppmに増した際も、ＣＯ２濃度を３５０ppmに戻した際も、上記の面積比が０.４までは影響が生じず、面積比を０.２５あるいは０.１とすると、応答時間が著しく長くなる。発明者はこれ以外の形状の試作品での測定なども加味して、内側開口面積と外側開口面積との比が０.３５以上で、応答特性への影響は僅かであることを見出した。なお図４では図示の都合上、起電力の値をグラフ毎に上下にずらせて重ならないようにしてある。
【００１３】
図５は、ガスセンサを自然大気中で１週間非加熱放置した後に再加熱した際の起電力の変化を示し、図中の数字は内側開口２２の面積と外側開口２０の面積との比を示し、この面積比が０.８あるいは０.４の場合、比較的短時間で起電力が定常値に達するのに対して、２.２５や１の場合、定常値に達するまでの時間が長いことが分かる。ＣＯ２センサでは例えばＣＯ２４００ppmが充分に換気された雰囲気に相当し、ビル空調などの場合、１０００ppmがＣＯ２濃度の上限となり、この間の起電力の変化は２０〜３０mＶ程度で、起電力が定常値に対して±５mＶ程度となるまで測定を開始できない。
【００１４】
図６は、ガスセンサを１週間４０℃で相対湿度８０％の雰囲気に非加熱で放置し、この雰囲気から常温常湿に戻して２時間経過した後に、加熱を開始した際の起電力の波形を示す。図の数字は同様に内側開口面積と外側開口面積の比であり、面積比が１では起電力が定常値に達するまでの時間が極めて長く、０.８や０.４では比較的短い時間で定常値に達するものの、面積比を０.４とした方が０.８とした場合よりも、短時間で検出を再開できることが分かる。また面積比を０.４としても０.２５としても、結果に差はない。
【００１５】
図５，図６の特性は、ゼオライトフィルタに蓄積された水蒸気が、再加熱時にセンサ本体側に放出されるか、外気に放出されるかの違いを示しているものと考えられる。そして内側開口と外側開口面積の比を小さくすると、センサ本体側に放出される水蒸気や雑ガスが減少し、これに伴って短時間で検出を再開できるものと考えられる。
【００１６】
図５，図６の特性からは、内側開口面積と外側開口面積の比は０.８〜０.４が好ましく、また図６の結果からは、この面積の比を０.２５まで小さくしても、立ち上がり時間は短縮しないことが分かる。この一方で図３，図４からは、上記の面積の比が０.４までは応答特性が低下しないことが分かる。これらのことをまとめると、内側開口面積と外側開口面積の比は０.９〜０.３が好ましく、特に好ましくは０.６〜０.３５であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例のガスセンサの縦方向断面図
【図２】実施例のガスセンサの平面図
【図３】実施例のガスセンサのＣＯ２３５０ppmからＣＯ２２０００ppmへの９０％応答時間を示す特性図
【図４】図３に相当するガスセンサの応答波形図
【図５】実施例のガスセンサを１週間自然大気中で非加熱放置した後に再加熱した際の、起電力の立ち上がり特性を示す波形図
【図６】実施例のガスセンサを４０℃相対湿度８０％の雰囲気に一週間非加熱放置した後に、常温常湿に戻し再加熱した際の起電力の立ち上がり特性を示す波形図
【符号の説明】
【００１８】
２          ガスセンサ
４          ベース
６          センサ本体
８          ヒータ基板
９          固体電解質ペレット
１０        ピン
１２        カバー
１４        ゼオライトフィルタ
１５，１６  不織布
１８        金網
２０        外側開口
２２        内側開口      
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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